新型金属材料

【专家解说】：新型金属材料种类繁多，它们都属合金。 形状记忆合金 形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金为什么能具有这种不可思议的“记忆力”呢？目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。 最早研究成功的形状记忆合金是Ni－Ti合金，称为镍钛脑（Nitanon）。它的优点是可靠性强、功能好，但价格高。铜基形状记忆合金如 Cu－Zn－Al和 Cu－Al－Ni，价格只有Ni－Ti合金的10%，但可靠性差。铁基形状记忆合金刚性好，强度高，易加工，价格低，很有开发前途。表7－3列出一些形状记忆合金及其相变温度。 形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。 在茫茫无际的太空，一架美国载人宇宙飞船，徐徐降落在静悄悄的月球上。安装在飞船上的一小团天线，在阳光的照射下迅速展开，伸张成半球状，开始了自己的工作。是宇航员发出的指令，还是什么自动化仪器使它展开的呢?都不是。因为这种天线的材料，本身具有奇妙的“记忆能力”，在一定温度下，又恢复了原来的形状。 多年来，人们总认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。可是，美国科学家在五十年代初期偶然发现，某些金属及其合金也具有一种所谓“形状记忆”的能力。这种新发现，立即引起许多国家科学家的重视。研制出一些形状记忆合金，广泛应用于航天、机械、电子仪表和医疗器械上。 为什么这些合金不“忘记”自己的“原形”呢?原来，这些合金都有一个转变温度，在转变温度之上，它具有一种组织结构，面在转变温度之下，它又具有另一种组织结构。结构不同性能不同，上面提及美国登月宇宙飞船上的自展天线， 就是用镍钛型合金作成的，它具有形状记忆的能力。这种合金在转变温度之上时，坚硬结实，强度很大;而低于转变温度时，它却十分柔软，易于冷加工。科学家先把这种合金做 成所需的大半球形展开天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加压力，把它弯曲成一个小球，使之在飞船上只占很小的空间。登上月球后，利用阳光照射的温度，使天线重新展开，恢复到大半球的形状。 形状记忆合金问世以来，引起人们极大的兴趣和关注，近年来发现在高分子材料、铁磁材料和超导材料中也存在形状记忆效应。对这类形状记忆材料的研究和开发，将促进机械、电子、自动控制、仪器仪表和机器人等相关学科的发展。 高温合金 涡轮叶片是飞机和航天飞机涡轮喷气发动机的关键部件，它在非常严酷的环境下运转。涡轮喷气发动机工作时，从大气中吸入空气，经压缩后在燃烧室与燃料混合燃烧，然后被压向涡轮。涡轮叶片和涡轮盘以每分钟上万转的速度高速旋转，燃气被喷向尾部并由喷筒喷出，从而产生强大的推力。在组成涡轮的零件中，叶片的工作温度最高，受力最复杂，也最容易损坏。因此极需新型高温合金材料来制造叶片。 贮氢合金 氢是21世纪要开发的新能源之一。氢能源的优点是发热值高、没有污染和资源丰富。贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。金属都是密堆积的结构，结构中存在许多四面体和八面体空隙，可以容纳半径较小的氢原子。如镁系贮氢合金如MgH2，Mg2Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi5，为了降低成本，用混合稀土 Mm代替La，推出了MmNiMn， MmNiAl等贮氢合金；钛系贮氢合金如TiH2，TiMn1.5。贮氢合金用于氢动力汽车的试验已获得成功。随着石油资源逐渐枯竭，氢能源终将代替汽油、柴油驱动汽车，并一劳永逸消除燃烧汽油、柴油产生的污染。 非晶态合金 非晶态合金又称为金属玻璃，具有拉伸强度大，强度、硬度高，高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性等优异性能。适合做变压器和电动机的铁芯材料。采用非晶态合金做铁芯，效率为97%，比用硅钢高出10%左右，所以得到推广应用。此外，非晶态合金在脉冲变压器、磁放大器、电源变压器、漏电开关、光磁记录材料、高速磁泡头存储器、磁头和超大规模集成电路基板等方面均获得应用。